介紹幾種動(dòng)力電池快充技術(shù)路線
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-06-30 16:35
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據(jù)目前動(dòng)力電池市場形勢來看，國內(nèi)動(dòng)力電池企業(yè)對于快充技術(shù)的探索未曾停止。鈦酸鋰、多元復(fù)合鋰和磷酸鐵鋰技術(shù)路線多方爭霸已經(jīng)在國內(nèi)快充市場上展開拉鋸戰(zhàn)，目前來看幾種技術(shù)路線各有優(yōu)劣。據(jù)目前形勢來看，快充已經(jīng)成為識(shí)別新能源汽車動(dòng)力電池的又一個(gè)重要標(biāo)簽。
鈦酸鋰電池快充路線作為國內(nèi)較早出現(xiàn)的快充技術(shù)路線，發(fā)展至今技術(shù)方面日臻成熟。攻克鈦酸鋰電池“脹氣”難關(guān)后，鈦酸鋰成為一種較為理想的快充電池材料。鈦酸鋰快充電池具有高安全性、高穩(wěn)定性、長壽命和綠色環(huán)保的特點(diǎn)，在新能源公共交通領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢。但由于電池材料本身能量密度偏低、加之鈦酸鋰材料價(jià)格較貴，鈦酸鋰快充電池的發(fā)展受到一定的制約。電池企業(yè)對此進(jìn)行了多方探索，希望立足于快充這一特點(diǎn)，尋找到最為理想的電池材料。
一些企業(yè)將研發(fā)方向轉(zhuǎn)向成本較低、安全性較強(qiáng)的磷酸鐵鋰材料。磷酸鐵鋰是國內(nèi)慢充電池的主要研發(fā)方向之一，由于材料的導(dǎo)電性限制，傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池在快充時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度過熱的現(xiàn)象。經(jīng)過嘗試，通過晶粒細(xì)化、表面碳包覆、晶胞元素?fù)诫s等手段對磷酸鐵鋰進(jìn)行改性，成功提高了磷酸鐵鋰的導(dǎo)電性能，使傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰材料具備了快充屬性。磷酸鐵鋰正極材料成本較為低廉、安全性較好、能量密度適中，在快充產(chǎn)品中具有一定優(yōu)勢。但磷酸鐵鋰電池在低溫條件下使用性能并不理想，在使用環(huán)境上具有一定局限性。
除了磷酸鐵鋰外，多元復(fù)合材料也成為快充電池的探索方向。三元材料便是其中一個(gè)方面的嘗試。三元材料快充電池主要通過負(fù)極的碳基材料改性，增加了負(fù)極碳基材料的孔隙，從而加大負(fù)極材料的表面積，使鋰離子遷移和嵌入的通道數(shù)量大幅增加。通過高比能量的材料搭配，使得電池產(chǎn)品在滿足快充的前提下，能量密度得到一定程度的提高。但由于三元正極材料含有稀缺金屬，材料的成本較高;目前以目前技術(shù)來看，三元快充電池整體的能量密度表現(xiàn)并不理想;而且三元材料性質(zhì)活躍，三元快充電池的安全性也略低于其他快充電池。
隨著近年來錳酸鋰正極材料取得突破，錳酸鋰快充電池正在悄然崛起。錳酸鋰快充電池以錳基正極材料為主，相較于三元材料，錳資源豐富、成本低廉、污染較小、安全性好、倍率性能好。傳統(tǒng)的錳酸鋰材料能量密度較低，但隨著技術(shù)的突破，錳酸鋰能量密度有著較大的提升。
快充動(dòng)力電池之爭將在未來繼續(xù)進(jìn)行下去，相信通過技術(shù)手段的進(jìn)步，動(dòng)力電池企業(yè)將把更多不可能變?yōu)榭赡?。而每一次電池產(chǎn)品的迭代，都是動(dòng)力電池企業(yè)核心科技實(shí)力的彰顯。目前快充電池依然存在一些瓶頸，快充電池是否能夠沖破這些瓶頸，對未來的動(dòng)力市場格局將產(chǎn)生影響深遠(yuǎn)。
我們都知道，能量密度、功率密度，安全性能、充電時(shí)間、耐環(huán)境的高低溫是評估鋰電池性能的五大指標(biāo)，而目前我國在鋰電池技術(shù)上后四點(diǎn)已初步達(dá)標(biāo)，但在能量密度上需要進(jìn)一步精進(jìn)工藝，等待進(jìn)步。
目前大熱的鈦酸鋰材料也值得關(guān)注。它可以替代石墨作為負(fù)極材料。雖然能量密度不高，但鈦酸鋰可以讓電池實(shí)現(xiàn)高倍率充放電，且安全性能優(yōu)異，循環(huán)壽命長。據(jù)悉，銀隆現(xiàn)在所研發(fā)的第四代高能量密度鈦酸鋰電池，與第三代相比成本下降40%，能量密度提高60%。業(yè)界樂觀預(yù)計(jì)，未來鈦酸鋰電池可能將與三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池形成三足鼎立的局面。
雖然鋰離子電池成本偏高是行業(yè)發(fā)展面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，但許多企業(yè)一直致力于提高鋰離子電池的性價(jià)比。據(jù)EnergyTrend分析師Duff(呂理舜)對鋰電池價(jià)格的分析結(jié)果，鋰電池的價(jià)格在17年第一、二、三季度都有少許漲勢，但總體而言，近年來隨著市場對鋰電池的需求持續(xù)擴(kuò)大，鋰電池的大規(guī)模量產(chǎn)，其成本正在逐年下降，目前的價(jià)格而言足以被商業(yè)化開發(fā)并廣泛利用。動(dòng)力鋰電池衰減到初始容量80%以下后，可以梯次利用到儲(chǔ)能領(lǐng)域，進(jìn)一步降低了儲(chǔ)能鋰電池的成本。
鋰離子電池具有較高的比能量、放電電壓和較好的循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)， 被認(rèn)為是純電動(dòng)汽車(EV) 和混合電動(dòng)汽車(HEV) 的最佳儲(chǔ)能設(shè)備之一。熱管理系統(tǒng)是保證大功率鋰電池組安全運(yùn)行的核心技術(shù)之一， 溫度太高會(huì)導(dǎo)致鋰電池面體電解質(zhì)(SEI) 膜的破壞， 從而縮短電池循環(huán)壽命， 并可能引起電池爆炸等安全問題。因此， 研究復(fù)雜工況條件下鋰電池工作的熱特性是開發(fā)電池?zé)峥丶夹g(shù)的基礎(chǔ)， 對于發(fā)展動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。
目前， 對于鋰電池發(fā)熱特性的研究， 主要采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析。在等Doyle提出的電化學(xué)模型和等bernardi提出的電池能量方程的基礎(chǔ)上， 國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)發(fā)展了多個(gè)鋰電池?zé)犭婑詈夏Ｐ停?如采用熱電耦合模型計(jì)算了鋰池在不同溫度下的放電特性， 并且分析了與溫度相關(guān)的參數(shù)對鋰電池放電特性的影響。
和采用熱電耦合模型對卷繞式鋰離子電池的溫度進(jìn)行了計(jì)算， 并對其內(nèi)部不同熱源的發(fā)熱量進(jìn)行了詳細(xì)分析。j.vazquez-arenas等采用熱電耦合模型對方形鋰離子電池進(jìn)行了模擬， 研究了電池溫度對其放電特性和鋰離子濃度分布的影響， 并對電池內(nèi)部不同熱源的發(fā)熱量進(jìn)行了定量分析。目前大多數(shù)文獻(xiàn)有關(guān)鋰電池?zé)崽匦缘难芯烤捎脽犭婑詈夏Ｐ停?但很少考慮到鋰電池的容量衰退問題。鋰電池在充放電循環(huán)過程中， 負(fù)極膜會(huì)由于的沉積逐漸增厚導(dǎo)致鋰電池內(nèi)阻增大， 從而會(huì)引起鋰電池發(fā)熱率的顯著增加。等在鋰電池的熱電耦合模型中考慮了循環(huán)衰退問題， 分析了溫度對鋰電池容量衰退的影響， 但是其對鋰電池的容量衰退過程采用由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合函數(shù)， 建立的模型和研究結(jié)果僅適用于其研究的特定鋰電池， 缺乏通用性。等提出了包括鋰電池容量衰退過程的熱電耦合模型， 但其采用的正極活性物質(zhì)的溶解僅在鋰錳電池中較為明顯， 不適用于鈷酸鋰和鐵鋰電池， 而且該研究未給出鋰電池循環(huán)過程中的熱量變化特性。
儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展或?qū)⒀永m(xù)鋰電池設(shè)備景氣度。新能源汽車行業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)了鋰離子電池技術(shù)的飛速進(jìn)步，鋰電池成本逐漸下降，同時(shí)能量密度也處于上升通道中。隨著電池技術(shù)和儲(chǔ)能行業(yè)的商業(yè)模式的進(jìn)一步成熟，儲(chǔ)能行業(yè)將迎來快速的發(fā)展，有望延續(xù)鋰電設(shè)備的景氣周期。
鋰離子電池好處雖多，但其缺點(diǎn)也很明顯。鋰電池的制作成本高，制作設(shè)備昂貴人工成本占到制作成本的40%左右，價(jià)格大概是鉛酸電池的三倍左右。還有一個(gè)缺點(diǎn)就是大家都擔(dān)心的，鋰電池存在起火爆炸安全隱患，尤其是在消費(fèi)者在不知情的情況下被騙導(dǎo)致購買劣質(zhì)鋰電池，在電動(dòng)車這種密封條件不是太好，容易潮濕導(dǎo)致接觸不良等原因引發(fā)可能存在的安全隱患。不過現(xiàn)在鋰電池的技術(shù)性能也在不斷提高，也正在使用高安全性的材料，前景也是一片大好。
目前大熱的鈦酸鋰材料也值得關(guān)注。它可以替代石墨作為負(fù)極材料。雖然能量密度不高，但鈦酸鋰可以讓電池實(shí)現(xiàn)高倍率充放電，且安全性能優(yōu)異，循環(huán)壽命長。據(jù)悉，銀隆現(xiàn)在所研發(fā)的第四代高能量密度鈦酸鋰電池，與第三代相比成本下降40%，能量密度提高60%。業(yè)界樂觀預(yù)計(jì)，未來鈦酸鋰電池可能將與三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池形成三足鼎立的局面。
雖然鋰離子電池成本偏高是行業(yè)發(fā)展面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，但許多企業(yè)一直致力于提高鋰離子電池的性價(jià)比。據(jù)EnergyTrend分析師Duff(呂理舜)對鋰電池價(jià)格的分析結(jié)果，鋰電池的價(jià)格在17年第一、二、三季度都有少許漲勢，但總體而言，近年來隨著市場對鋰電池的需求持續(xù)擴(kuò)大，鋰電池的大規(guī)模量產(chǎn)，其成本正在逐年下降，目前的價(jià)格而言足以被商業(yè)化開發(fā)并廣泛利用。動(dòng)力鋰電池衰減到初始容量80%以下后，可以梯次利用到儲(chǔ)能領(lǐng)域，進(jìn)一步降低了儲(chǔ)能鋰電池的成本。
鋰離子電池具有較高的比能量、放電電壓和較好的循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)， 被認(rèn)為是純電動(dòng)汽車(EV) 和混合電動(dòng)汽車(HEV) 的最佳儲(chǔ)能設(shè)備之一。熱管理系統(tǒng)是保證大功率鋰電池組安全運(yùn)行的核心技術(shù)之一， 溫度太高會(huì)導(dǎo)致鋰電池面體電解質(zhì)(SEI) 膜的破壞， 從而縮短電池循環(huán)壽命， 并可能引起電池爆炸等安全問題。因此， 研究復(fù)雜工況條件下鋰電池工作的熱特性是開發(fā)電池?zé)峥丶夹g(shù)的基礎(chǔ)， 對于發(fā)展動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。
目前， 對于鋰電池發(fā)熱特性的研究， 主要采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析。在等Doyle提出的電化學(xué)模型和等bernardi提出的電池能量方程的基礎(chǔ)上， 國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)發(fā)展了多個(gè)鋰電池?zé)犭婑詈夏Ｐ停?如采用熱電耦合模型計(jì)算了鋰池在不同溫度下的放電特性， 并且分析了與溫度相關(guān)的參數(shù)對鋰電池放電特性的影響。
和采用熱電耦合模型對卷繞式鋰離子電池的溫度進(jìn)行了計(jì)算， 并對其內(nèi)部不同熱源的發(fā)熱量進(jìn)行了詳細(xì)分析。j.vazquez-arenas等采用熱電耦合模型對方形鋰離子電池進(jìn)行了模擬， 研究了電池溫度對其放電特性和鋰離子濃度分布的影響， 并對電池內(nèi)部不同熱源的發(fā)熱量進(jìn)行了定量分析。目前大多數(shù)文獻(xiàn)有關(guān)鋰電池?zé)崽匦缘难芯烤捎脽犭婑詈夏Ｐ停?但很少考慮到鋰電池的容量衰退問題。鋰電池在充放電循環(huán)過程中， 負(fù)極膜會(huì)由于的沉積逐漸增厚導(dǎo)致鋰電池內(nèi)阻增大， 從而會(huì)引起鋰電池發(fā)熱率的顯著增加。等在鋰電池的熱電耦合模型中考慮了循環(huán)衰退問題， 分析了溫度對鋰電池容量衰退的影響， 但是其對鋰電池的容量衰退過程采用由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合函數(shù)， 建立的模型和研究結(jié)果僅適用于其研究的特定鋰電池， 缺乏通用性。等提出了包括鋰電池容量衰退過程的熱電耦合模型， 但其采用的正極活性物質(zhì)的溶解僅在鋰錳電池中較為明顯， 不適用于鈷酸鋰和鐵鋰電池， 而且該研究未給出鋰電池循環(huán)過程中的熱量變化特性。
儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展或?qū)⒀永m(xù)鋰電池設(shè)備景氣度。新能源汽車行業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)了鋰離子電池技術(shù)的飛速進(jìn)步，鋰電池成本逐漸下降，同時(shí)能量密度也處于上升通道中。隨著電池技術(shù)和儲(chǔ)能行業(yè)的商業(yè)模式的進(jìn)一步成熟，儲(chǔ)能行業(yè)將迎來快速的發(fā)展，有望延續(xù)鋰電設(shè)備的景氣周期。
鋰離子電池好處雖多，但其缺點(diǎn)也很明顯。鋰電池的制作成本高，制作設(shè)備昂貴人工成本占到制作成本的40%左右，價(jià)格大概是鉛酸電池的三倍左右。還有一個(gè)缺點(diǎn)就是大家都擔(dān)心的，鋰電池存在起火爆炸安全隱患，尤其是在消費(fèi)者在不知情的情況下被騙導(dǎo)致購買劣質(zhì)鋰電池，在電動(dòng)車這種密封條件不是太好，容易潮濕導(dǎo)致接觸不良等原因引發(fā)可能存在的安全隱患。不過現(xiàn)在鋰電池的技術(shù)性能也在不斷提高，也正在使用高安全性的材料，前景也是一片大好。
